ABRASIVITÄT VON LOCKERGESTEIN - TU Wien · 2010. 11. 24. ·...

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Schluff Sand KiesTonSteine

Schlämmkorn Siebkorn

400/5

Forschungsbereich Grundbau, Boden- und FelsmechanikINSTITUT FÜR GEOTECHNIK

ABRASIVITÄT VON LOCKERGESTEIN

Werkzeugverschleiß

Was für Bauarbeiten im Festgestein schon lange bekanntist, wird zunehmend auch im Lockergestein zum Problem:Baugrund mit hoher Abrasivität wirkt sich negativ auf denWerkzeugverschleiß aus. Bei

Baugrundverbesserungen

einer Vielzahl von Tiefbau-arbeiten, wie z.B. Bohrpfahl- und Schlitzwandarbeiten,

oder maschinellen Tunnel-vortrieben, kann übermäßiger Verschleiß der Löse- undAbbauwerkzeuge die Erfüllung der gestiegenen Leistungs-anforderungen an die Bauindustrie behindern.Demgegenüber existiert ein hohes Kosteneinsparungs-potential infolge Optimierung des Werkzeugverschleißes.

Forschungsprojekt

Technische Universität Wien

Karlsplatz 13/220/2

1040 Wien

Fakultät für Bauingenieurwesen

Institut für Geotechnik

Forschungsbereich Grundbau, Boden- und Felsmechanik

Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dietmar Adam

Univ.Ass. Dipl.-Ing. Petra Drucker

Dr.techn. Tel.: +43 1 58801 22115

e-mail: petra.drucker@tuwien.ac.at

http://www.igb.tuwien.ac.at

Bislang stehen der Bauindustrie allerdings nur unzureichende Abrasivitätskennwerte im Lockergestein zur Verfügung, umden Werkzeugverschleiß und daraus resultierende finanzielle Konsequenzen (Materialkosten, verminderter Bauleistung,sowie Maschinenstehzeiten und Personalkosten für den Werkzeugtausch, etc.) bei geplanten Bauvorhaben einwandfreikalkulieren zu können. Dies bedeutet einerseits für die Auftraggeberseite ein unakzeptables Baugrundrisiko, andererseits fürdie ausführende Seite ein entsprechend hohes Planungs- und Kalkulationsrisiko.Das Institut für Geotechnik der TU Wien hat sich dieser Thematik im Rahmen eines breit angelegten Forschungsprojektsangenommen, wobei darauf abgezielt wird, ein standardisierbares Labor-Verfahren für die Ermittlung eines Abrasivitäts-Kennwerts für Lockergestein zu entwickeln.

Abbauzahn einer Schlitzwandfräse in neuwertigem Zustand (links) undverschlissene Abbauzähne nach Einsatz der Schlitzwandfräse (rechts).[Quelle: ÖBA WSKE]

Verschlissenes Schneidrad einer Microtunnelingmaschine DN2200 im Bergeschacht [Quelle: martak-geo]

Ausbaustand des TU-Wien Abrasimeters, August 2010 [Quelle: WilleGeotechnik, adaptiert]

Original-LCPC-Abrasivitätsversuchsgerätan der TU Wien

Auflast-

Ring

Gewichte

Drehflügel

67,5 x 135 x 13 mm

Versuchsbehälter

Øi 250 mm

Einflussfaktoren auf die Abrasivität vonLockergestein

Wesentliche Eigenschaften von Lockergestein (Boden)können im LCPC-Abrasivitätsversuch nicht nachgebildetwerden, haben aber voraussichtlich maßgebendenEinfluss auf dieAbrasivität. Dazu gehören vor allem:

die Korngröße und Kornrundung (Kornform),die Lagerungsdichte, sowieder Poren- und der Wassergehalt.

Die am Institut für Geotechnik entwickelte Erweiterung desLCPC-Versuchsaufbaus ermöglicht die ganzheitlicheErforschung von Abrasivität im Lockergestein, unter derBerücksichtigung der genannten Einflussfaktoren.

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Sieblinie eines sandigen Kieses (Donauschotter) und „Stand der Technik“ für Aussagen über die Abrasivitätdes Korngemischs.

Berücksichtigung von Korngröße und Kornrundung

Der LCPC-Versuch wird auch an Korngrößen > 6,3 mm durchgeführt, indemmittels Backenbrecher auf die Versuchsgröße reduziert werden.

Diese Vorgehensweise impliziert, dass Grobmaterial grundsätzlich höher abrasiv istals Feinkorn, was im Versuch durch die Scharfkantigkeit des Bruchkorns repräsentiertwerden soll. Eine Verifikation dieser Hypothese ist jedoch noch ausständig.Bei der (Korngrößen 0,63 - 2,0 mm) wird oft der Rundungsgradoptisch (unter dem Binokular) bestimmt und als Hinweis auf dieAbrasivität gewertet.Die korreliert grundsätzlich gut mit der Fähigkeit Verschleiß zuerzeugen. Der Äquivalente Quarzanteil (Produkt der Mineralanteile mit ihrerSchleifhärte nach Rosival) kann als Maßzahl für die Abrasivität herangezogenwerden, oder es wird ein Indexwert mittels des NTNU Soil Abrasion Test angemahlenen Gesteinsproben ermittelt. Beide Untersuchungen berücksichtigenjedoch nicht den Einfluss von Korngröße und Rundungsgrad auf dieAbrasivität.Die Abrasivität von Feinstmaterial in kann mit Hilfe des Miller-Versuchsbestimmt werden.

Mittel-und Grobkiese

Grobsandfraktion

Mineralhärte

Suspension

Bereich der normgemäßen

Anwendung des LCPC-

Abrasivitätsversuchs

Kornrundung als Abrasivitätsmaß

Mineralhärte als Abrasivitätsmaß

Bereich der fragwürdigen Anwendung

des LCPC-Abrasivitätsversuchs

Miller-Zahl für Suspensionen

Drehflügel

50 x 25 x 5 mm

Versuchsbehälter

Øi 93 mm

Versuchsmaterial

4,0 - 6,3 mm

Das TU Wien Abrasimeter

Zur Untersuchung von Korngemischen bis zu einemGrößtkorn von ca. 20 mm weist der neue Versuchsbehältereinen Innendurchmesser von 250 mm auf, was gleichzeitigauch eine entsprechende Vergrößerung des Drehflügelsbedingt. (Die optimale Größe des Drehflügels muss erstversuchstechnisch bestimmt werden.)Die Drehzahl während der Versuchsdurchführung ist mit100 U/min begrenzt und kann stufenlos variiert werden,womit die Verhältnisse in-situ (bei Bohrarbeiten inLockergestein) nachgebildet sind. Damit die Bodenprobebei der langsamen Umdrehung des Drehflügels nichtausweichen kann wird derzeit ein Auflastring zur Belastungder Bodenprobe und zur Simulation einer Lagerungsdichteerprobt.Weitere Versuchsreihen zur Erforschung derAbrasivität bei(Grund-)Wassersättigung, sowie bei Zugabe von Bentonitoder mit Einsatz speziell geformter Drehflügel sind derzeitin Vorbereitung.

Probe und Flügel vor (links) und nach (rechts) dem LCPC-Versuch.

Der LCPC-Abrasivitätsversuch

Der am Laboratoire Centrale des Ponts et Chaussées (LCPC) entwickelte Versuch ist in Frankreich normiert,es sind das Prüfgerät sowie die unmittelbare Versuchsdurchführung und -auswertung festgelegt.Ein Stahldrehflügel (XC12; 50 x 25 x 5 mm; 60-75 HRB) dreht sich während der fünfminütigen Versuchsdauermit einer Geschwindigkeit von 4.500 U/min im Versuchsbehälter (Ø 93 mm), in den vorab 500 g ofentrockenesProbenmaterial der Körnung 4,0 - 6,3 mm gefüllt wurde. Der Flügel wird vor und nach dem Versuch gewogen.Der Abrasivitätskoeffizient A [g/t] ermittelt sich als Quotient des Masseverlusts des Drehflügels [g] und derAusgangsmasse der Bodenprobe [t].Nach dem Versuch wird

leicht brechbaremPrüfgut entstehen

BR

durch die Bestimmung desAnteils der Körnung kleiner 1,6 mm Korndurchmesser eineAussage über die Brechbarkeit des Materials getroffen.

Wesentliche an derAussagekraft des LCPC-Abrasivitätskoeffizienten für Lockergestein sind dieEinschränkung der Prüfkorngröße sowie die hohe Umdrehungsgeschwindigkeit des Stahlflügels, welche dieWirkung einer Gesteinsmühle auf das Prüfmaterial hat. Bei der Versuchsdurchführung mit

sehr schnell Zerkleinerungsprodukte, welche verschleißmindernde oder -erhöhendeWirkung haben können.

Kritikpunkte

Cerchar-Test

Projektförderung und Finanzierung

Alpine BauGmbH, Asfinag Baumanagement GmbH,Bilfinger-Berger BauGmbH, Bauer Spezialtiefbau GmbH,Grund- Pfahl- und Sonderbau, ÖBB Infrastruktur AG,Österr. Gesellschaft für Geotechnik, Österr. Vereinigung fürBeton- und Bautechnik, Porr Tunnelbau GmbH, StrabagAG, Vereinigung Österr. Bohrunternehmen.

Verschiedene LCPC-Abrasivitätskoeffizienten einer Probe Donau-schotter. *) Ersatz nach 1,0 und 2,5 Versuchsminuten durch 4,0-6,2 mm

Bruchkorn 16,0 - 31,5 mm

Bruchkorn 8,0 - 16,0 mm

Zugabe 250 ml Wasser

Drehflügelhärte 89 HRB

Drehflügelhärte 76 HRB

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türl

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g 4

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6,2

mm

Ersatz des Anteils < 1,6 mm*)